同时光学和电子追踪心脏活动

不同类型心脏细胞之间的相互作用在多大程度上影响正常心率，并可能引发危及生命的心律失常，目前仍不清楚。伯尔尼大学开发的一种新的测量方法，首次将心脏心室激活的光学和电记录结合起来，结合光遗传学，将能够找到这些问题的全面答案。

心脏的正常功能是基于心脏起搏器产生的电脉冲(“动作电位”)，它在整个心肌它们会引发收缩，导致心跳。过去，人们认为繁殖动作电位完全由心肌细胞．然而，最近的研究结果表明，心脏的其他细胞类型，如结缔组织细胞(“成纤维细胞”)和巨噬细胞，可能还会影响动作电位的传播，因此，在决定心功能方面发挥着重要作用。这些发现是通过一种名为光遗传学的新方法获得的，该方法利用光来控制已定义细胞类型的电行为，如成纤维细胞，从而允许评估它们参与心脏激活过程。

为了实现与心脏的全面光遗传学研究，伯尔尼大学生理学系Stephan Rohr领导的研究人员开发了一种新的实验系统，称为“全景光电测量和刺激(POEMS)”系统。诗集系统是第一个允许同时光学和电测量和刺激扩展到整个老鼠心脏的心室表面。该系统的结果有望为正常心功能的研究和心律失常机制的研究开辟新的视角。描述该系统的研究发表在该杂志上自然通讯．

结缔组织细胞是心律失常的病因吗?

此前的细胞培养实验表明，心肌细胞与激活的心脏成纤维细胞通过电信号进行交流，这种相互作用导致心律失常。然而，由于传统的电生理方法不适合于研究这一问题，这一机制是否在完整心脏中也起作用尚不清楚。

目前，光遗传学解决了缺乏合适的实验方法的问题。光遗传学允许对心脏肌肉细胞和非肌肉细胞之间的细胞相互作用的存在和功能后果进行直接研究。通过让特定的细胞类型，如成纤维细胞表达所谓的“光遗传电压报告器”，可以评估是否存在直接电通信。另一方面，通过在这些细胞中表达“光遗传电压执行器”和观察光激活对整体的影响，可以研究这种耦合的功能后果心电生理学。目前，光遗传学实验的进行是复杂和设备密集型的。此外，不可能将基于电极的实验与光学研究结合起来，这严重限制了可能的实验范围。

诗系统创造了新的可能性

该研究的第一作者Stephan Rohr教授解释说:“我们的POEMS系统克服了所有这些缺点，因为心室的整个表面覆盖着光学和电测量和刺激位点的组合，这允许两种模式的自由组合。”新的POEMS系统的核心由一个与老鼠心脏大小相当的杯子组成，其内表面由294根光纤和64个电极组成。所有的光纤和电极都可以单独配置为测量和刺激点，从而允许根据特定实验中使用的光遗传报告器和驱动器的特定要求精确定制单个实验。

使用表达光遗传电压报告器的受激小鼠心脏同时进行心脏激活的光学和电气全景测量表明，无论测量方式如何，POEMS系统都能提供心室动作电位传播的一致和高度精确的测量，光学和电气确定的激活时间之间的差异小于1毫秒。此外，POEMS系统的设计目标是实现直接和有效的实验。该研究的合著者迈克尔·里格尔(Michael Rieger)说:“通过我们的‘丢了就走’的方法，实验可以在隔离的老鼠被放入测量容器后立即开始。”他与生理学系的其他成员一起开发了该系统。对心脏的温和处理增加了实验的成功率，诗集系统提供的信息内容也增加了，这也与3R原则(替换、减少、精炼)有关，因为回答给定问题所需的动物实验数量可以大幅减少。

Stephan Rohr说:“随着POEMS系统的就绪，我们目前正在研究一个紧迫的问题，即心律失常是否也可以由非肌肉细胞(如激活的结缔组织细胞)引起。”如果是这样的话，它将为心律失常的治疗开辟新的途径，因为心律失常是不同于肌肉的细胞类型细胞可能成为抗心律失常治疗的靶点。

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